專利名稱：采用缺氧金屬氧化物層的非易失性存儲(chǔ)裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用缺氧金屬氧化物的非易失性存儲(chǔ)裝置及其制造方法，更具體地，涉及一種具有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的非易失性存儲(chǔ)裝置及其制造方法，在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中在下電極和數(shù)據(jù)層之間形成了缺氧金屬氧化物層。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)由1T/1C(一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器)的單位單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成。隨著裝置尺寸的減小，制造電容器的工藝難度增加，因而難于高產(chǎn)率地制造DRAM。因此，非常需要可以替代傳統(tǒng)的DRAM并且具有非易失性的存儲(chǔ)器。已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試以實(shí)現(xiàn)和開發(fā)高集成度和低功耗的DRAM、非易失性的閃存、高運(yùn)行速度的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)作為下一代存儲(chǔ)器。作為下一代存儲(chǔ)器而受到人們關(guān)注的裝置的包括相變RAM(PRAM)、納米浮置柵極存儲(chǔ)器(NFGM)、電阻RAM(ReRAM)、聚合物RAM(PoRAM)、磁RAM(MRAM)和分子電子裝置。
ReRAM裝置具有采用金屬氧化物的金屬絕緣體金屬(MIM)的結(jié)構(gòu)，并且示出存儲(chǔ)特征，即當(dāng)施加合適的電信號(hào)時(shí)，MIM結(jié)構(gòu)的狀態(tài)從高阻抗的非導(dǎo)電狀態(tài)即關(guān)狀態(tài)改變?yōu)榈妥杩沟膶?dǎo)電狀態(tài)即開狀態(tài)。對(duì)于首字母縮寫MIM，M意指上和下金屬電極，并且I意指由絕緣材料形成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。
當(dāng)在傳統(tǒng)MIM存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中重復(fù)開關(guān)時(shí)，施加到所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的置位電壓和復(fù)位電壓分布的偏差大，并且根據(jù)開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電阻值Ron和Roff的分布是不均勻的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種非易失性存儲(chǔ)裝置，所述存儲(chǔ)裝置具有改良了結(jié)構(gòu)，從而在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中具有穩(wěn)定的存儲(chǔ)開關(guān)特性。
本發(fā)明還公開了一種具有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的非易失性存儲(chǔ)裝置的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種非易失性存儲(chǔ)裝置，該存儲(chǔ)裝置具有開關(guān)裝置和連接到開關(guān)裝置的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中該存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括下電極；在下電極上形成的失氧金屬氧化物；在失氧性金屬氧化物層上形成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；和在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層上形成的上電極。開關(guān)裝置可包括晶體管或二極管。
失氧金屬氧化層可以是具有氧空位并且具有比導(dǎo)電金屬氧化物大而比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層小的電阻的金屬氧化物層。
缺氧金屬氧化物層可以由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
缺氧金屬氧化物層可以是ZnO層。
缺氧金屬氧化物層可以具有范圍在1至50nm的厚度。
上電極和下電極可以由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu、和TiN的組中所選擇的材料形成。
下電極可以由Ru形成。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層可以由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中所選擇的材料形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種制造非易失性存儲(chǔ)裝置的方法，包括制備開關(guān)裝置；形成連接到開關(guān)裝置的下電極；在下電極上形成缺氧金屬氧化物層；在缺氧金屬氧化物層上形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層；并且在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層上形成上電極。
開關(guān)裝置可以包括晶體管或二極管。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的典型實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更為顯見，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置的截面圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖3A至3D是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的制造方法的截面圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置的開關(guān)特性的I-V曲線；圖5是示出傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)裝置開關(guān)特性的I-V曲線；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置置位電壓值和復(fù)位電壓值分布的圖；圖7是示出傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)裝置置位電壓值和復(fù)位電壓值分布的圖；圖8是示出根據(jù)在本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置的開關(guān)期間根據(jù)開/關(guān)狀態(tài)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電阻值的分布的圖；圖9是示出在傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)裝置的開關(guān)期間根據(jù)開/關(guān)狀態(tài)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電阻值的分布的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將參考附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置的截面圖。
參考圖1，所述非易失性存儲(chǔ)裝置包括晶體管115和連接到晶體管115的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)19。晶體管115包括源極107S、漏極107D、和柵極105。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)19包括上電極18、下電極12、插入在上電極18和下電極12之間的缺氧金屬氧化物層14和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層16，絕緣層109布置在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)19和晶體管115之間。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)19通過導(dǎo)電接觸栓113連接到晶體管115，并且板電極111布置在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)19的上電極18上。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的截面圖。參考圖2，包含在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)裝置內(nèi)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括下電極22、在下電極22上形成的缺氧金屬氧化物層24、在缺氧金屬氧化物層24上形成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層26和在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層26上形成的上電極28。
上電極28和下電極22可以由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中所選擇的一種或多種材料形成，優(yōu)選上電極28由Pt形成并且下電極22由Ru形成。上電極28和下電極22可以使用濺射法、電子束沉積法、或化學(xué)氣相沉積(CVD)法形成為從10nm至200nm范圍的厚度。
形成于下電極22上的缺氧金屬氧化物層24表示包括氧空位的金屬氧化物層。在金屬氧化物層中包含的氧空位在施加電壓時(shí)吸收氧，并且集中在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層26和缺氧金屬氧化物層24之間的界面上的氧通過影響金屬絲的斷開而增加了存儲(chǔ)器的開關(guān)特性。缺氧金屬氧化物層是具有氧空位并且具有比導(dǎo)電金屬氧化物(IrO2、RuO2、SrRuO3、MoO2、OsO2、ReO2、RhO2、WO2)大而比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(NiO)大的電阻的金屬氧化物層。
缺氧金屬氧化物層24可以使用金屬氧化物形成為從1nm至50nm范圍的厚度，該金屬氧化物具體地是ZnO、ITO、IZO、ZrO、或RuO2。當(dāng)所述缺氧金屬氧化物層24的厚度超過50nm時(shí)，未展示出存儲(chǔ)器的開關(guān)特性。
缺氧金屬氧化物層24可以使用濺射法、脈沖激光沉積法、CVD法、有機(jī)金屬氣相沉積法、溶膠-凝膠法、或噴射熱分解法形成。
缺氧金屬氧化物層可以由ZnO形成。
根據(jù)工藝條件和形成方法，ZnO可以形成為絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w，并且當(dāng)ZnO膜形成時(shí)，導(dǎo)電度和氧空位根據(jù)氧分壓而變化。更具體地，已知在低氧分壓下形成ZnO薄膜時(shí)，形成許多氧空位。如上所述，由于氧空位的形成可以與ZnO的導(dǎo)電特性一起控制，所以ZnO可以是理想的材料。
為了使用ZnO形成缺氧金屬氧化物層24，缺氧金屬氧化層24可以使用ZnO靶作為原材料，在50％或更小的氧分壓下通過在50℃或更低的溫度下使用反應(yīng)濺射法額外注入氧而形成。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層26可以由具有可變電阻特性的過渡金屬氧化物形成。更具體地，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層26可以由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中所選擇的材料形成。
圖3A至3D是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括在非易失性存儲(chǔ)裝置內(nèi)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的制造方法的截面圖。在非易失性存儲(chǔ)裝置中，在本領(lǐng)域中包括源極、漏極、溝道和柵極的半導(dǎo)體開關(guān)裝置的制造方法是眾所周知的，因而將省略其詳細(xì)描述。
參考圖3A，下電極32形成于硅基底30上。下電極32可以由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中所選擇的至少一種材料形成，優(yōu)選Ru。下電極32可以使用濺射法、電子束沉積法或CVD法形成為從10至200nm范圍的厚度。
參考圖3B，在下電極32上形成缺氧金屬氧化物層34。缺氧金屬氧化物層34可以使用諸如ZnO、ITO、IZO、ZrO、RuO2等金屬氧化物形成為從1至50nm范圍的厚度。
缺氧金屬氧化物層34可以使用濺射法、脈沖激光法、CVD法、有機(jī)金屬氣相沉積法、溶膠-凝膠法、或噴射熱分解法形成。
參考圖3C和D，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層36在缺氧金屬氧化物層34上形成，上電極38在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層36上形成。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層36可以由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO和CoO的組中所選擇的材料形成。
上電極38可以由與下電極32相同的材料形成，并且優(yōu)選Pt。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包含具有Pt/NiO/ZnO/Ru結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的非易失性存儲(chǔ)裝置的開關(guān)特性的I-V曲線。圖5是示出其中包括未包含缺氧金屬氧化物層34的具有Pt/NiO/Pt結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)裝置的開關(guān)特性的I-V曲線。
參照?qǐng)D4和5，與傳統(tǒng)Pt/NiO/Pt結(jié)構(gòu)相比，具有Pt/NiO/ZnO/Ru結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了施加到所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的置位電壓值Vset和復(fù)位電壓值Vreset偏差均勻和穩(wěn)定的分布。這里，Vset是置位轉(zhuǎn)變的電壓，并且Vreset是復(fù)位轉(zhuǎn)變時(shí)在最大電流峰值時(shí)的電壓。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的施加到具有Pt/NiO/ZnO/Ru結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的置位電壓值和復(fù)位電壓值的分布的圖。圖7是示出施加到具有Pt/NiO/Pt傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的置位電壓值和復(fù)位電壓值的分布的圖。
參考圖6和7，顯見根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與具有Pt/NiO/Pt結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相比，減小了對(duì)于所述開關(guān)循環(huán)的Vset和Vreset的標(biāo)準(zhǔn)差。
圖8是示出當(dāng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)開關(guān)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)根據(jù)開/關(guān)狀態(tài)的電阻值的分布。圖9是示出當(dāng)傳統(tǒng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)開關(guān)時(shí)，具有Pt/NiO/Pt結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)根據(jù)開/關(guān)狀態(tài)的電阻值的分布。
參考圖8和9，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中，與具有Pt/NiO/Pt結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相比，減小了對(duì)于所述開關(guān)循環(huán)的Ron和Roff的標(biāo)準(zhǔn)差。
從而通過減小Ron和Roff的標(biāo)準(zhǔn)差改善了根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)特性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中采用缺氧金屬氧化物可以獲得穩(wěn)定的存儲(chǔ)開關(guān)特性。更具體地，當(dāng)重復(fù)開關(guān)時(shí)，可以減小施加到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的置位電壓和復(fù)位電壓的標(biāo)準(zhǔn)差和根據(jù)開和關(guān)狀態(tài)的電阻的標(biāo)準(zhǔn)差。
盡管參考本發(fā)明的典型實(shí)施例具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解在不偏離在權(quán)利要求中所界定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的變更。
權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲(chǔ)裝置，具有開關(guān)裝置和連接到所述開關(guān)裝置的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括下電極；在所述下電極上形成的缺氧金屬氧化物層；在所述缺氧金屬氧化物層上形成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層；和在所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層上形成的上電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層是具有氧空位并且具有比導(dǎo)電金屬氧化物大而比所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層小的電阻的金屬氧化物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述導(dǎo)電金屬氧化物層由從包括IrO2、RuO2、SrRuO3、MoO2、OsO2、ReO2、RhO2和WO2的組中所選擇的材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層是ZnO層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層具有在1至50nm范圍的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述上電極和下電極由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中選擇的材料形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述下電極由Ru形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中選擇的材料形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的非易失性存儲(chǔ)裝置，其中所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中選擇的材料形成。
12.一種制造非易失性存儲(chǔ)裝置的方法，包括制備開關(guān)裝置；形成連接所述開關(guān)裝置的下電極；在所述下電極上形成缺氧金屬氧化物層；在所述缺氧金屬氧化物層上形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層；在所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層上形成上電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層是具有氧空位的金屬氧化物層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層具有1至50nm范圍的厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層通過使用濺射法、脈沖激光沉積法、CVD法、有機(jī)金屬氣相沉積法、溶膠-凝膠法或噴射熱分解法形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層是ZnO層。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述ZnO層使用ZnO靶作為原材料在50％或更低的氧分壓下通過在50℃或更低溫度下使用反應(yīng)濺射法額外注入氧而形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述上電極和下電極由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中選擇的材料使用噴濺法、電子束沉積法或CVD法形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述下電極由Ru形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3和ZnO的組中選擇的材料形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用缺氧金屬氧化物層的非易失性存儲(chǔ)裝置和一種所述非易失性存儲(chǔ)裝置的制造方法，其特征在于所述非易失性存儲(chǔ)裝置具有開關(guān)裝置和連接到開關(guān)裝置的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括下電極、在下電極上形成的缺氧金屬氧化物層、在缺氧金屬氧化物層上形成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、和在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層上形成的上電極。
文檔編號(hào)H01L21/82GK101075629SQ200610165950
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者趙成逸, 趙重來, 李殷洪, 柳寅儆 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社